HD-TEG: Effizienzsteigerungspotential bei Nutzfahrzeugen durch den Einsatz eines neuartigen Abwärmenutzungssystems (Thermoelektrik)

Abstract

In diesem Projekt wurde die Effizienzsteigerung von modernen schweren Nutzfahrzeugen durch den Einsatz eines neuartigen Abwärmenutzungssystems demonstriert. Dabei wurde erstmalig ein nutzfahrzeugspezifisches System basierend auf der Thermoelektrik mit Hilfe eines gesamtheitlichen Entwicklungsansatzes entwickelt und das Potential dieser Technologie für heutige und zukünftige Nutzfahrzeuge dargestellt. Als Referenzfahrzeug diente ein innovatives Serien-Nutzfahrzeug mit Erdgasmotor, welches als eine Schlüsseltechnologie für den zukünftigen emissionsärmeren Straßengüterverkehr im Nah- sowie im Fernbereich gilt. Projektschwerpunkte waren gleichermaßen die Effizienzsteigerung des thermoelektrischen Systems und des Fahrzeuges sowie die Kostensenkung des Systems durch Verwendung von seriennahen Aufbautechnologien und Fertigungsverfahren. Die Systemkosten von Abwärmenutzungssystemen im Nutzfahrzeug müssen sich anwendungsspezifisch in möglichst kurzer Nutzungszeit im Realbetrieb amortisieren. Dazu wurde eine Bauweise des TEG gewählt, die eine hohe Energieausbeute bei gleichzeitig geringem Gewicht verspricht und somit Vorteile sowohl unter Realfahrbedingungen als auch in relevanten Fahrzyklen bietet. Eine neuartige ganzheitliche Auslegungsmethode bietet das Potential, thermoelektrische Systeme in Zukunft deutlich effizienter auslegen zu können. Hierbei wurden neben der Systemauslegung erstmals auch alle Wechselwirkungen mit dem Nutzfahrzeug betrachtet und quantifiziert. Die Umsetzung dieser Ansätze wurden in mehreren Funktionsmustern dargestellt. Durch die enge Zusammenarbeit der Projektpartner, konnte das Wissen und die umfangreiche Erfahrung beider in das Projekt einfließen, um der Technologie im Nutzfahrzeug zum Durchbruch zu verhelfen. Als Ergebnis konnte erstmalig ein Abwärmenutzungssystem in Form eines Thermoelektrischen Generators für ein innovatives Erdgasnutzfahrzeug wirtschaftlich ausgelegt werden. Die berechnete Amortisation wurde zumeist in einer Zeit von kleiner als zwei Jahren, unter Annahme der Serienentwicklung des Systems, erzielt. Die Kraftstoffreduktion liegt bei bis zu 2,5 %, das entspricht rund 1 kg/100 km Kraftstoff. Zukünftiges Potential liegt bei weiteren 1,2 Prozentpunkten. Bei einer Hardwarerealisierung wurde am Funktionsmuster über 2,5 kW elektrische Leistung gemessen.